Quanto ne sai sui brevetti relativi alle auto senza conducente?

In termini di progressi nello sviluppo e di accumulo di esperienza nel settore delle auto senza conducente, Google ha assunto un ruolo guida, seguita da vicino dai principali produttori automobilistici internazionali. Google vuole realizzare l'innovativo concetto di auto senza conducente in un'unica fase, ma le principali case automobilistiche come Mercedes-Benz, BMW e Audi stanno adottando un approccio "evolutivo", aggiungendo gradualmente nuove funzionalità per guidare i consumatori ad adattarsi gradualmente a un'esperienza di guida completamente diversa.

Quando si parla di auto senza conducente, la prima cosa che viene in mente è Google, e questa impressione è profondamente radicata nella mente delle persone. Dopotutto, da quando Google ha annunciato per la prima volta il suo programma di sperimentazione di auto senza conducente nel 2010, la "Google Self-Driving Car" (vedere Figura 1) ha accumulato più di 700.000 miglia di esperienza di guida su strada senza incidenti. Si tratta di una novità davvero senza precedenti per il grande pubblico, che suscita anche ammirazione per la capacità innovativa di Google.

È solo che questa tecnologia futura è troppo lontana dall’esperienza di vita delle persone comuni, quindi non la sentono profondamente. Oltretutto sono passati diversi anni da allora e la novità è svanita. La maggior parte delle persone considera le auto senza conducente solo come un argomento.

Figura 1: Auto senza conducente di Google

Attualmente, oltre al continuo investimento di Google nella ricerca, nello sviluppo e nel miglioramento delle auto senza conducente, che ha già ottenuto risultati notevoli, anche le case automobilistiche internazionali hanno riconosciuto questa tendenza e stanno trattando questa tecnologia in modo serio e pragmatico.

Al CES Consumer Electronics Show di quest'anno, le auto senza conducente sono tornate a essere al centro dell'attenzione di tutti. Ad esempio, l'auto senza conducente "F015 Luxury in Motion" (vedere Figura 2) esposta da Mercedes-Benz ha la caratteristica più importante: durante la guida automatica, il conducente può girare il sedile anteriore di 180 gradi all'indietro per interagire con gli altri passeggeri. L'auto è come una lussuosa scatola mobile. Insieme al design interno ed esterno e agli equipaggiamenti fantascientifici e all'avanguardia, ha naturalmente attirato l'attenzione dell'intero pubblico. Tuttavia, questa è solo una presentazione concettuale. Si prevede che questo tipo di auto non verrà lanciato ufficialmente prima del 2030.

Figura 2: Mercedes-Benz F015 Lusso in movimento

BMW ha stretto una partnership con Samsung Electronics per presentare la tecnologia Remote Valet Parking Assistant, un assistente al parcheggio completamente automatico e senza conducente (vedere Figura 3). Grazie allo smartwatch Gear S, l'auto senza conducente può essere controllata a distanza per parcheggiarsi automaticamente nel parcheggio e, a sua volta, può essere controllata a distanza per recarsi automaticamente nella posizione del proprietario. Il prerequisito è però che il parcheggio sia dotato anche di sensori in grado di comunicare con l'auto senza conducente.

Figura 3: Assistente di parcheggio remoto BMW

Audi ha lanciato un concept car senza pilota chiamato "Jack", basato sul modello A7 (vedere Figura 4). L'auto è dotata delle funzioni di cambio automatico di corsia e di svolta, nonché di accelerazione e frenata automatiche. Ma, cosa ancora più importante, l'auto è stata testata anche su strada. Durante la fiera CES del 2015, "Jack" ha "guidato" per tutto il tragitto dalla Silicon Valley fino al padiglione espositivo del CES di Las Vegas, accumulando così 500 miglia di esperienza di guida effettiva.

Figura 4: Jack Audi A7

Tuttavia, come ha descritto Alex Davies, un giornalista della rivista Wired che all'epoca viaggiava a bordo di "Jack", "l'auto senza conducente di Audi potrebbe sembrare un glorificato aggiornamento del cruise control intelligente, degli avvisi di abbandono della corsia e di altre tecnologie semi-autonome che sono ora disponibili in molte auto di lusso".

Il motivo per cui le persone hanno questa impressione è che, rispetto all'auto senza conducente lanciata da Google, l'auto senza conducente di Audi non è diversa da un'auto normale e l'intero processo di guida autonoma non farà sentire il conducente insolito.

Dopo anni di test effettivi, Google ha pubblicato per la prima volta il prototipo della sua auto a guida autonoma nel maggio 2014 (vedere Figura 5). Oltre al suo aspetto da cartone animato e all'imponente sistema LIDAR (Light Detection And Ranging) sul tetto, ha anche un aspetto davvero impressionante.

Ciò che più sovverte le percezioni tradizionali è il fatto che l'intera auto non ha né volante, né pedale dell'acceleratore, né pedale del freno. Sono disponibili solo due pulsanti per consentire ai passeggeri di controllare manualmente l'arresto di emergenza o l'avanzamento. Il resto del lavoro di guida è affidato a sensori e computer, perché il concetto di Google è che il processo di guida senza pilota non richiede l'intervento umano.

Figura 5. Modello (a sinistra) dell'auto a guida autonoma di Google (a destra) prototipo

Il prototipo dell'auto autonoma lanciato nel dicembre 2014 ha ridotto le dimensioni del sistema LIDAR e installato fari fisici. Oltre ai sensori e ai computer necessari, sono stati reinstallati anche il volante e i pedali del freno. Questa combinazione sembra aver compromesso lo scenario originale secondo cui "non c'è assolutamente bisogno di controllo umano". Ma d'altro canto, a questo punto, quante persone possono accettare un'auto senza volante? La questione più importante è soddisfare le reali esigenze dei consumatori. Un'innovazione di portata troppo ampia scoraggerà le persone.

Non c'è dubbio che Google sia in posizione di leadership in termini di progresso nello sviluppo e di accumulo di esperienza nel settore delle auto senza conducente, seguita da vicino dai principali produttori automobilistici internazionali. Ma mentre Google vuole realizzare in una volta sola l'innovativo concetto di auto senza conducente, le principali case automobilistiche stanno adottando un approccio "evolutivo", aggiungendo gradualmente nuove funzionalità per aiutare i consumatori ad adattarsi gradualmente a un'esperienza di guida completamente diversa.

Tralasciando i numerosi problemi legali, assicurativi e di accettazione da parte dei consumatori che le auto senza conducente dovranno affrontare prima del loro lancio ufficiale sul mercato, diamo un'occhiata alle importanti tecnologie in esse contenute.

Secondo un rapporto di Lexinnova, una società di consulenza brevettuale statunitense, vengono riassunte nove tecnologie di base utilizzate nelle auto senza conducente (vedere Figura 6): comunicazione tra veicoli (comunicazione V2V), cruise control, freni automatici, mantenimento della corsia, radar, controllo della stabilità o del monitoraggio, videocamera, stimatore di posizione e sistema di posizionamento globale (GPS). Tra le tecnologie di base sopra menzionate, il numero di domande di brevetto per le prime cinque tecnologie è relativamente elevato, il che ne dimostra anche l'importanza, pertanto di seguito è riportata una breve introduzione a queste cinque tecnologie.

Figura 6. Tecnologie di base delle auto senza conducente

1. Comunicazione veicolo-veicolo (comunicazione V2V)

Grazie alla comunicazione tra veicoli, i veicoli possono trasmettersi dati a vicenda, in modo da comprendere il comportamento e lo stato reciproco, consentendo ai conducenti di prendere decisioni e prendere decisioni in anticipo, riducendo i pericoli causati dagli angoli ciechi nella visuale.

Figura 7. Diagramma schematico della comunicazione V2V

La National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) sta sviluppando standard e specifiche per le comunicazioni tra veicoli, per garantire che tutti i veicoli utilizzino un linguaggio comune; anche il Dipartimento dei trasporti degli Stati Uniti ha annunciato che le nuove auto consegnate a partire dal 2017 dovranno essere dotate di sistemi di comunicazione tra veicoli.

Il sistema di comunicazione veicolo-veicolo sviluppato dalla NHTSA utilizza la tecnologia DSRC (Dedicated Short Range Communications) basata sugli standard IEEE802.11p e IEEE 1609. Trasmette dati tramite la banda di frequenza a microonde da 5,9 GHz e presenta le caratteristiche di un ritardo di trasmissione estremamente basso e di un'elevata velocità di trasmissione. Nella rete mesh DSCR, ogni nodo (auto) trasmette segnali in tutte le direzioni a una frequenza di 10 volte al secondo, con un raggio di copertura di 300 metri. I dati ricevuti all'interno della rete possono essere trasmessi a 5-10 nodi (automobili) di distanza in modalità multi-hop, proprio come la raccolta delle informazioni sulle condizioni del traffico a un miglio di distanza, il che dà ai conducenti tempo sufficiente per reagire alle condizioni del traffico.

Secondo Lexinnova, la maggior parte dei brevetti relativi alla comunicazione tra veicoli sono detenuti da Toyota Motor e dalla sua controllata Denso, seguite dall'azienda giapponese di elettronica per autoveicoli Alpine e da General Motors (GM).

2. Controllo della velocità di crociera

I sistemi tradizionali di controllo della velocità di crociera regolano automaticamente l'apertura dell'acceleratore del motore in base alla velocità di crociera impostata, ottenendo così l'obiettivo di una guida a velocità costante. Il sistema di controllo intelligente della velocità di crociera (ACC, AdaptiveCruise control) rileverà attivamente la distanza dal veicolo che precede e controllerà opportunamente l'acceleratore e il freno in base all'intervallo di tempo di sicurezza specificato dal sistema e alla velocità impostata dal conducente, ottenendo così un controllo della velocità di crociera che si adatta alle condizioni del veicolo che precede.

Figura 8. Diagramma schematico del controllo adattivo della velocità di crociera

Il sistema ACC è composto principalmente da un rilevatore della distanza del veicolo anteriore, un sensore di velocità del veicolo, un sensore di accelerazione longitudinale, un'unità di controllo del freno e dell'acceleratore e un'unità di controllo del funzionamento logico.

Secondo le statistiche di Lexinnova, i primi tre titolari di brevetti relativi al cruise control sono: Robert Bosch, Nissan Motor e General Motors.

3. Freni automatici

Il sistema di frenata automatica comprende un sistema antibloccaggio dei freni (ABS) e un sistema di distribuzione elettronica della forza frenante (EBD).

Figura 9. Diagramma schematico ABS

L'ABS è stato introdotto per la prima volta sul mercato dalla Bosch nel 1987 ed è ormai una caratteristica piuttosto comune. Quando si frena, l'ABS rileva la velocità della ruota tramite il sensore. Una volta rilevato che la ruota è bloccata, l'ABS rilascia i freni, poi frena di nuovo rapidamente, quindi rilascia e blocca di nuovo; questo ciclo consente al conducente di continuare a controllare il volante per evitare slittamenti e perdite di controllo.

L'EBD è un sistema aggiuntivo dell'ABS che interviene prima dell'ABS per ridurre l'intervento non necessario dell'ABS. Il sistema EBD monitora la velocità delle quattro ruote e regola automaticamente la pressione dell'olio dei freni di ciascuna ruota al livello più appropriato per impedire qualsiasi bloccaggio prima che l'ABS entri in funzione, aumentando così il raggio di protezione.

Secondo Lexinnova, i principali titolari di brevetti relativi ai sistemi di frenata automatica sono il fornitore sudcoreano di ricambi per auto Mando Corporation e Bosch, ma i brevetti ABS o EBD di Mando Corporation non sembrano essere utilizzati nel campo delle auto senza conducente.

4. Mantenimento della corsia

Le tecniche di mantenimento della corsia sono classificate nelle due categorie seguenti:

Sistema di avviso di abbandono della corsia (LDWS): quando il componente di rilevamento rileva che il veicolo ha deviato dalla corsia, se il conducente non attiva l'indicatore di direzione per cambiare corsia, il sistema emette un segnale di avviso visivo, acustico o tramite vibrazione per ricordare al conducente di tornare nella corsia.

Il sistema di mantenimento della corsia (LKS) o sistema di assistenza al mantenimento della corsia (LKAS) è un sistema che, quando il veicolo devia accidentalmente dalla corsia e il conducente non interviene immediatamente, interviene attivamente per controllare il volante e fornire l'assistenza adeguata per mantenere il veicolo nella corsia originale. Le auto a guida autonoma utilizzano questo sistema e i sensori possono essere sensori di immagine, sensori laser o sensori a infrarossi.

Figura 10. Diagramma schematico del sistema di mantenimento della corsia (LKAS)

Secondo le statistiche di Lexinnova, i primi quattro titolari di brevetti relativi ai sistemi di mantenimento della corsia sono Bosch, Nissan Motor, Toyota Motor e Hyundai Motor.

5. Radar

Il sistema radar è una delle tecnologie più importanti per le auto senza conducente. Oltre al radar di retromarcia a cui siamo abituati, il radar viene utilizzato per il controllo della velocità di crociera, per rilevare le condizioni del traffico circostante, per il sistema anticollisione e per il mantenimento della corsia.

Figura 11. Diagramma schematico dell'applicazione del radar automobilistico

I radar automobilistici si dividono in tre tipologie: radar acustico, radar ottico e radar a onde millimetriche, a seconda della sorgente del segnale.

Il radar a ultrasuoni, che appartiene alla categoria delle onde sonore, viene utilizzato principalmente nei sistemi di assistenza al parcheggio, come il radar di retromarcia, per via della sua breve distanza di misurazione.

Lo svantaggio principale del radar a infrarossi e del radar laser, che appartengono al tipo di onda luminosa, è che la penetrazione della luce è facilmente disturbata da polvere, pioggia, nebbia e neve, il che influisce sulla precisione della misurazione. Il radar a infrarossi ha una distanza di misurazione più breve e può essere utilizzato nei sistemi di visione notturna, mentre il lidar ha una distanza di misurazione più lunga e, come il radar a infrarossi, può essere utilizzato nei sistemi anticollisione.

La lunghezza d'onda del radar a onde millimetriche è millimetrica (mm), come suggerisce il nome, e la gamma di frequenza operativa è compresa tra 30 GHz e 300 GHz, concentrata principalmente nelle bande di frequenza 23~24, 60~61 e 76~77 GHz. Rappresenta la corrente principale della ricerca e dello sviluppo attuale dei radar automobilistici. A differenza delle onde sonore, il radar a onde millimetriche non è influenzato dalla turbolenza atmosferica. Rispetto alle onde luminose, il radar a onde millimetriche ha una penetrazione maggiore. Pertanto, il radar a onde millimetriche ha una buona rilevabilità e un'elevata precisione.

Oltre ai sistemi radar, le auto senza conducente utilizzano anche sistemi LIDAR, ovvero una tecnologia di telerilevamento ottico. Solitamente utilizza impulsi di luce laser per eseguire scansioni ad alta densità di bersagli allo scopo di misurare la distanza dell'oggetto o di ottenere dati sulla sua forma tridimensionale.

Secondo le statistiche di Lexinnova, i quattro principali titolari di brevetti relativi ai radar sono Toyota Motor, Hitachi, Bosch e Fujitsu.

Insomma

Prima che le auto senza conducente vengano lanciate ufficialmente sul mercato, oltre ad affrontare complesse questioni normative, ci sono ancora molti problemi tecnici da superare, come la stabilità e l'accuratezza dei vari componenti dei sensori, la sicurezza della comunicazione tra veicoli, l'integrazione del software, le procedure di giudizio operativo, ecc. Questi vari problemi tecnici alla fine convergeranno nella questione del prezzo a cui i consumatori sono più sensibili.

In realtà, le tecnologie di base necessarie per le auto senza conducente sono tutte il rilancio e il miglioramento di tecnologie esistenti, ma l'integrazione e l'applicazione di queste tecnologie rappresentano un'innovazione e un'invenzione. Ci aspettiamo che questa forza creativa apporti enormi opportunità di business ai settori tecnologico e automobilistico e speriamo di creare un ambiente di guida più sicuro ed efficiente, nonché uno stile di vita più rispettoso dell'ambiente e che risparmi energia attraverso il potere della tecnologia.

Vincitore del Qingyun Plan di Toutiao e del Bai+ Plan di Baijiahao, del Baidu Digital Author of the Year 2019, del Baijiahao's Most Popular Author in the Technology Field, del Sogou Technology and Culture Author 2019 e del Baijiahao Quarterly Influential Creator 2021, ha vinto numerosi premi, tra cui il Sohu Best Industry Media Person 2013, il China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, il Guangmang Experience Award 2015, il China New Media Entrepreneurship Competition Finals 2015 e il Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018.